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激光冲击强化技术的希望与应用

本文摘要:材料的主要失效形式包括磨损、腐蚀、疲劳等。一些观察数据表明,源于材料外观的破坏形式占80%以上,这表明材料外观的结构和性能对材料的综合性能有着至关重要的影响。 在载荷作用下,构件的疲劳断裂往往源于材料外观上的裂纹,裂纹的进一步扩展可能导致材料的整体损伤甚至设备故障。为了提高零件的可靠性,延长材料的使用寿命,在不改变基体材料性能的情况下,外观强化技术和方法得到了广泛的应用,并取得了良好的经济效益。随着航空航天、武器、核能、交通运输等高端装备的增长。

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材料的主要失效形式包括磨损、腐蚀、疲劳等。一些观察数据表明,源于材料外观的破坏形式占80%以上,这表明材料外观的结构和性能对材料的综合性能有着至关重要的影响。

在载荷作用下,构件的疲劳断裂往往源于材料外观上的裂纹,裂纹的进一步扩展可能导致材料的整体损伤甚至设备故障。为了提高零件的可靠性,延长材料的使用寿命,在不改变基体材料性能的情况下,外观强化技术和方法得到了广泛的应用,并取得了良好的经济效益。随着航空航天、武器、核能、交通运输等高端装备的增长。

对其零件的外观性能要求越来越高。传统的喷丸强化、外观滚压等强化技术已经慢慢不能满足高性能设备的生产要求,激光冲击强化技术很好地解决了这些问题。

与传统的外观强化技术相比,激光冲击强化具有获得更深的残余应力层、加工硬化和晶粒细化的优点,可以显著提高材料的疲劳寿命。它已被广泛应用于各个领域,并获得越来越多的青睐。什么是激光打击强化?激光冲击强化(LSP),又称激光喷丸,是一种新的外观强化技术,具有明显的技术优势,能够带来独特的技术解决方案,在工业界越来越受到重视。基本原理激光打击强化的基本原理如下图所示。

该技术的基本原理是:短脉冲(几十纳秒)、岑岭功率密度(> t107 W/cm2)的激光通过透明约束层(一般接受的材料有:自来水、有机玻璃等。)然后作用于工件表面。

工件表面涂的吸收涂层(一般接受的材料有铝箔、黑色胶带、黑色油漆等。)吸收激光能量,经过爆炸气化形成等离子体团,在约束层的约束下,等离子体形成GPa级瞬时高压等离子体击波,传递给工件材料;在冲击波的机械作用下,由于冲击波的峰值应力极高,远远超过材料的屈服极限,材料表面发生塑性变形,引起晶格畸变、位错、位错交织、位错壁、晶粒细化等微观织构变化,出现与材料外观平行的拉应力,根据机械作用的反应原理,等离子体冲击波完成后, 材料外观会形成一定深度的残余压应力层,从而强化零件外观或精细成形加工,大大提高金属材料的耐磨性、抗应力腐蚀和抗疲劳性能。

特点及应用领域激光冲击强化不同于传统的表面强化技术。其典型的约束层和吸收屏蔽层的原理结构可以显著增加冲击波压力,进而强化材料。

这种强化方法具有高压(GPa级)、高能(GW级)、超高应变率(106 s-1)的特点。不同于传统的激光加工技术如激光切割、激光淬火、激光焊接等。激光冲击强化是一种利用激光冲击波的机械效应的外观改性技术,在加工过程中对工件几乎没有热效应。

由于上述优点,激光打击强化技术近年来发展迅速,目前主要应用于航空航天和国防军事领域。随着这项技术的不断成熟,激光打击强化技术在造船、核工业、石油化工、生物医学、轨道交通、电网等领域显示出无可比拟的技术优势,具有巨大的应用前景和商业价值。国内外激光打击增强技术研究希望美国科学家在20世纪6月发现激光诱导打击波现象。

与此同时,我国教师钱发现了这一现象,并提出了自己的见解 50年来,这项技术取得了长足的进步,日趋成熟,带动了一大批行业的成长。国外研究希望1972年美国巴特尔学院(BMI)的费尔兰德等人通过短脉冲高功率密度激光诱发的冲击波改变7075铝合金的显微组织,发现经过激光冲击强化试验后,合金的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力有一定的提高。这是激光冲击强化实验的首次实验,其公认的强化模式属于无约束层模式,主要用于验证激光冲击强化技术的可行性。

1977年,BMI的Calaur等人通过在样品外观上使用约束层和涂层材料的不同组合来改变应力波的大小和持续时间,发现在约束层的模式下,冲击波压力可以达到GPa水平,材料的疲劳寿命显著提高。透明约束层和吸收涂层的这种结合也成为激光冲击强化的典型模式。当时,由于缺乏性能可靠、脉冲短、功率密度高的激光,激光打击强化技术未能得到实际应用。

1984年,劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的乐城研制出世界上第一台平板结构钕玻璃激光器,推动了激光冲击强化技术的发展。20世纪90年代,美国针对航天工程高周疲劳断裂启动了“高周疲劳科技计划”,旨在提高材料的高周疲劳设计水平,改善飞机的安静性能。

该项目的出现将激光冲击强化技术从实验室推向了工业应用。计划提出后几年内,美国乐城应用激光冲击强化技术,提高了Ti-6-4、Al2024-762、IN718、Al7075-77351等合金材料的疲劳寿命。

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由于激光冲击强化效率不高,惩罚时间长,喷涂层无法快速去除。1997年,美国出现了涂层快速处置惩罚制度,可以快速涂覆吸收涂层,去除工件上的涂层。首先将其应用于军用燃气轮机发动机叶片的激光冲击处理处罚,强化效果相当好。同年,日本科学家三野发现,等离子体在空气中的膨胀速度约为声速的20倍,而在水中的膨胀速度仅等于声速,为水作为共同的约束层提供了数据依据。

21世纪以来,激光打击强化技术取得了更加惊人的进步,这应该是用领域也不停扩大,如:汽车关键零部件、水轮机叶片、大型汽轮机、石油管道、纳米仿生等领域。2003年,激光打击强化技术被用于波音飞机的叶片处置惩罚,标志着激光打击强化技术开始应用于军民两用飞机领域。

2007年,日本开发了微激光打击强化(MLSP)技术,乐成用于核电站压力容器的强化处置惩罚,极大提高了压力容器焊缝的抗腐蚀性能。该技术的乐成应用,还促进了水下作业激光器与光纤传输技术的生长。

随着激光打击强化工业化应用水平的不停提高,一系列技术瓶颈有待突破,除设备价钱和运行成本因素外,人们希望开发可现场操作的便捷设备,在设备泛起故障的时候以最快速度解决问题,节约时间与成本。2012年,美国MIC公司取得重大突破,乐成研制出可移动式激光打击强化设备,如下图所示。

该设备的降生,解决了激光打击强化现场作业难题。图 可移动式激光打击强化设备为了获得更好的激光打击强化效果,2010年,美国在原有激光打击强化技术的基础上,联合热力耦合效应在质料外貌强化方面的优势,提出温度辅助的激光打击强化技术,即激光温喷丸(WLP)技术,其工艺原理见下图。由于现在激光温喷丸技术应用的理论和配景相对不多,需要科研事情者不停完善与研究。2017年,美国的Kalentics等用激光打击强化技术对选择性激光熔化(SLM)部件举行相关实验,提出将SLM和LSP这两个历程联合起来的“3D LSP”方法,将激光打击强化技术推向一个新高度。

图 激光喷丸原理图海内研究希望中国在上世纪90年月开始举行激光打击强化技术的研究,二十余年来取得了举世瞩目的成就。1992年,南京航空学院(现南京航空航天大学)使用我国自主研制的钕玻璃激光器对7475-T761铝合金与30CrMnSiNi2A高强度合金钢举行激光打击强化处置惩罚。该实验效果讲明经激光打击强化处置惩罚后,合金疲劳寿命约提高了80%,这是海内在激光打击强化领域的首次研究。

1996年,中国科学技术大学的吴鸿兴教授团队乐成开发了我国首台激光打击强化妆置,建设了激光打击强化效果定性判断的直观检测方法,推动激光打击强化技术走向工程应用具有重要意义。与此同时,江苏大学在激光打击强化方面也做了大量研究,为激光打击强化技术的生长做出了突出孝敬。然而受其时激光器性能的限制,再加上没有明确的应用配景,我国激光打击强化技术仍未推向工业应用。随着研究的不停深入与激光器技术的进步,激光打击强化技术获得了快速生长,我国逐渐具备激光打击强化技术实际工程应用的能力。

2008年,我国第一条激光打击强化工程生产线在西安阎良高新区降生,标志着我国成为第二个掌握该技术工程实际应用的国家。2011年,中国科学院沈阳自动化研究所装备制造技术研究室乐成开发了整体叶盘激光打击强化系统如下图所示),该系统是我国第一台工业应用激光打击强化设备,填补了我国在该领域的空缺。

图 整体叶盘激光打击强化设备2013年,沈阳自动化研究所和鞍山钢铁厂互助,用激光打击强化技术对含有微小裂纹的锻压模具举行强化处置惩罚,有效控制模具裂纹扩展速率,节约了模具生产成本,缩短停机修复时间。2016年,中国科学院宁波质料技术与工程研究所在新一代激光打击强化研究方面获得突破,标志着第三代激光打击强化技术的成熟,可广泛应用于庞大金属部件(如:齿轮、机电腔体、刀具、微细结构等)的处置惩罚,现在该技术正通过宁波大艾激光科技公司举行工业化。图 新一代激光打击强化原理图应用前景在近五十年的研究历程中,激光打击强化技术获得了快速生长,取得了丰盛的科研结果,在众多领域都有着广泛应用,具有庞大的潜在市场和辽阔的生长前景;固然,也存在着一些问题需要有待解决:1) 海内设备相对落伍,需要研制出大能量、短脉冲、高频率的高性能激光器以满足激光打击强化技术工业应用的要求;2) 激光打击强化在某种水平上可以说属于“贵族加工技术”,光一套打击强化设备就高达几百万美元,昂贵的价钱让中小企业难以接受,在一定水平上限制了该技术的大规模推广;3) 现在,打击强化效率普遍较低,吸收涂层大多数接纳黑胶带、黑漆、铝箔等形式,加工历程比力耗时,涂层自动处置惩罚系统的开发将会是提高生产效率的有效手段之一;4) 现有的打击强化方法前后预处置惩罚工艺繁琐、光学系统庞大以及存在辅助装置过多的缺点,操作起来不利便,有须要对现用方法举行优化与革新;5) 激光打击强化在线监测技术有待完善,现在海内依然没有能够实现实时监测的在线监测系统和控制方法。

激光打击强化技术作为一种使用激光诱导等离子体打击波的力学效应对质料外貌举行改性的新型技术,与传统激光加工技术相比,其险些差池质料发生热效应;与传统外貌改性技术相比,其能在质料外貌引入更深的残余压应力层、提高质料抗疲劳性能,具有强化效果越发、适用性好、可控性强等技术优势。现在,激光打击强化在航空航天和军工领域应用比力普遍。随着社会需求的增加,激光打击强化的应用也会进一步的扩大。

在汽车制造工业、核工业、船舶制造业、石油化工行业、生物医疗、微系统等领域具有庞大的潜在应用市场。相信在不久的未来,经激光打击强化的产物会进入寻常黎民家。作者:吴嘉俊1,2赵吉宾1乔红超1陆莹1孙博宇1胡太友1,2张旖诺1,21中国科学院沈阳自动化研究所装备制造技术研究2中国科学院大学工程科学学院参考文献吴嘉俊,赵吉宾,乔红超,陆 莹,孙博宇,胡太友,张旖诺 激光打击强化技术的应用现状与生长[J]. 光电工程,2018,45(2):170690。


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